(精选)电子束和离子束加工
电子束加工特点
第六章 电子束和离子束加工
离子束加工方式包括离子蚀刻、离子镀膜及离子溅射沉 积和离子注入等。
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第六章 电子束和离子束加工
1离子刻蚀
当所带能量为0.1～5keV、直径为十分之几纳米的的氩离子轰 击工件表面时，此高能离子所传递的能量超过工件表面原子 （或分子）间键合力时，材料表面的原子（或分子）被逐个 溅射出来，以达到加工目的。这种加工本质上属于一种原子 尺度的切削加工，通常又称为离子铣削。 离子束刻蚀可用于加工空气轴承的沟槽、打孔、加工极薄材料 及超高精度非球面透镜，还可用于刻蚀集成电路等的高精度 图形。
第六章 电子束和离子束加工
第六章 电子束和离子束加工
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第六章 电子束和离子束加工
6.1 电子束加工
一. 电子束加工原理和特点
（一）加工原理 电子束加工是利用高速电子的 冲击动能来加工工件的，如图6-1 所示。在真空条件下，将具有很高
速度和能量的电子束聚焦到被加工
材料上，电子的动能绝大部分转变 为热能，使材料局部瞬时熔融、汽
行电子束光刻加工。
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第六章 电子束和离子束加工
（二）电子束加工特点 (1) 可进行微细加工。
(2) 非接触式加工。
(3) 电子束的能量密度高，加工效率高。
（4）整个加工过程便于实现自动化。
(5)加工在真空中进行，污染ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ，加工表面不易被氧化。
（6）电子束加工需要整套的专用设备和真空系统，价
格较贵。
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2离子溅射沉积
第六章 电子束和离子束加工
采用能量为0.1～5keV的氩离子轰击某种材料制成的靶材，将 靶材原子击出并令其沉积到工件表面上并形成一层薄膜。 实际上此法为一种镀膜工艺。
第6章 电子束和离子束加工
特种加工技术
二、电子束加工装臵
电子枪
电子发射阴极、控制 栅极和加速阳极等；
真空系统 控制系统
电磁透镜、偏转线圈、 工作台系统
电源系统 辅助装臵
特种加工技术
电子枪
用途：
钨丝
发射高速电子流 电子束的预聚焦 电子束的强度控制
小功率
大功率
组成
电子发射阴极（纯钨或纯钽） 控制栅极 加速阳极
非热型（化学效应）
利用电子束的化学效应进行刻蚀
刻蚀
特种加工技术
功率密度对加工模式的影响
a) 低密度 b) 中低密度 c) 高密度
表面改性
电子束焊接
电子束打孔、切槽
特种加工技术
电子束加工的应用范围
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
特种加工技术
（1）高速打孔
特点
能打各种孔（最小φ3μm ）
生产效率高
可加工各种材料
实际应用
打400孔；3mm厚时，φ1mm的锥形孔，每秒可打20孔。）
可加工斜孔。 可以加工各种直的型孔和型面，也可以加工弯孔和曲面。
特种加工技术
电子束加工曲面
电子束在磁场中运动，由于受到电磁力，其轨迹会发生偏转。 如果在磁场中对工件加工，则可切割出曲面。
特种加工技术
电子束加工弯槽
电子束在磁场中运动，由于受到电磁力，其轨迹会发生偏转。 如果在磁场中对工件中部进行切割时，则可加工出弯槽。
特种加工技术
电子束加工分类
通过控制电子束能量密度的大小和能量注入时 间，就可以达到不同的加工目的。 电子束打孔、切割等加工：高电子束能能量密度， 使材料融化和气化，就可以进行； 电子束焊接：使材料局部融化就可以进行； 电子束热处理：只使材料局部加热就可以进行； 电子束光刻加工：利用较低能量密度的电子束轰击 高分子材料时产生化学变化的原理，即可进行。
第8章 电子束和离子束加工(教案)
(3)离子束加工是靠离子轰击材料表面的原子来实现的，是一种微观作用，所以加工应力和变形极小，适宜于对各种材料和低刚件零件进行加工。
4.主要应用
在目前的工业生产中，离子束加工主要应用于刻蚀加工(如加工空气轴承的沟槽，加工极薄材料等)、镀膜加工(如在金属或非金属材料上镀制金属或非金属材料)、注入加工(如某些特殊的半导体器件)等。
单元（章节）备课笔记首页
教师董金梁教研组机电教研室
编写日期审批日期
教学内容
第8章电子束和离子束加工
总课时
目
的
要
求
1.电子束加工
2.离子束加工
重
点
电子束与离子束加工原理、特点及应用
难
点
电子束与离子束加工原理及应用
章节
内容
课时分配
8.1
电子束加工
8.2
离子束加工
课时授课计划
授课日期
班别
题目
8.1电子束加工
目
的
要
求
掌握电子束加工的原理、特点及应用
重
点
电子束加工的原理、特点及应用
难
点
电子束加工的原理及应用
教
具
多媒体课件、教学视频、挂图
教学方法
理论讲授---注重引导
板
书
设
计
教
学
过
程
一、电子束加工
1.加工原理
2．特点与应用
一、新课导入
1.加工原理
电子束加工是利用高速电子的冲击动能来加工工件的。在真空条件下，将具有很高速度和能量的电子束聚焦到被加工材料上，电子的动能绝大部分转变为热能，使材料局部瞬时熔融、汽化蒸发而去除。
电子束和离子束加工
第六章电子束和离子束加工电子束加工(Electron Beam Machining简称EBM)和离子束加工(Ion Beam Machining简称IBM)是近年来得到较大发展的新兴特种加工。
它们在精密微细加工方面，尤其是在微电子学领域中得到较多的应用。
电子束加工主要用于打孔、焊接等热加工和电子束光刻化学加工。
离子束加工则主要用于离子刻蚀、离子镀膜和离子注入等加工。
近期发展起来的亚微米加工和毫微米(纳米)加工技术，主要是用电子束加工和离子束加工。
第一节电子束加工一、电子束加工的原理和特点(一)电子束加工的原理如图6-1所示，电子束加工是在真空条件下，利用聚焦后能量密度极高(106~109W／cm2)的电子束，以极高的速度冲击到工件表面极小面积上，在极短的时间(几分之一微秒)内，其能量的大部分转变为热能，使被冲击部分的工件材料达到几千摄氏度以上的高温，从而引起材料的局部熔化和气化，被真空系统抽走。
控制电子束能量密度的大小和能量注入时间，就可以达到不同的加工目的。
如只使材料局部加热就可进行电子束热处理；使材料局部熔化就可进行电子束焊接；提高电子束能量密度，使材料熔化和气化，就可进行打孔、切割等加工；利用较低能量密度的电子束轰击高分子材料时产生化学变化的原理，即可进行电子束光刻加工。
(二)电子束加工的特点1)由于电子束能够极其微细地聚焦，甚至能聚焦到0．1µm。
所以加工面积可以很小，是一种精密微细的加工方法。
2)电子束能量密度很高，使照射部分的温度超过材料的熔化和气化温度，去除材料主要靠瞬时蒸发，是一种非接触式加工。
工件不受机械力作用，不产生宏观应力和变形，加工材料范围很广，对脆性、韧性、导体、非导体及半导体材料都可加工。
3)电子束的能量密度高，因而加工生产率很高，例如，每秒钟可以在2。
5mm厚的钢板上钻50个直径为0.4mm的孔。
4)可以通过磁场或电场对电子束的强度、位置、聚焦等进行直接控制，所以整个加工过程便于实现自动化。
特种加工技术---第六章：电子束和离子束加工
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2 离子束加工在高真空环境下进行，所以污染少，特别适用于对易 氧化的金属、合金材料和高纯度半导体进行加工。
3 离子束加工是靠离子轰击材料表面的原子来实现的，是一种微观 作用，宏观压力很小，所以加工应力、热变形极小，加工质量高， 适合于加工各种材料和低刚度薄壁零件。
4 与电子束加工类似，离子束加工设备费用贵、成本高，应用范围 受到一定的限制。
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三 电子束加工装置 一般说来，一套典型的电子束加工装置主要包括以下几个 主要组成部分
➢ 电子枪 ➢ 真空系统 ➢ 控制系统 ➢ 电源
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1 电子枪 作用：发射电子束 组成：发射阴极，控制栅极、加速阳极
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2 真空系统 真空系统的主要作用是保证电子束加工时维持1.33×10-21.33×10-4Pa的真空度，因为只有在真空中，电子才能高 速运动。此外，加工时产生的金属蒸汽会影响电子的发射 和运动，因此也需要不断地把加工中产生的金属蒸汽不断 抽走。
第六章 电子束和离子束加工
电子束加工-----Electron Beam Machining
离子束加工-----Ion Beam Machining
电子束加工主要用于打孔、焊接、切割、刻蚀、热处理和光刻 加工等方面。 离子束加工主要用于离子刻蚀、离子镀膜加工以及离子注入 加工等方面。
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第一节 电子束加工
3 控制系统和电源
电子束加工设备控制系统主要包括：束流聚焦控制、束流位置 控制和束流强度控制。
束流的位置控制是为了改变电子束的方向，常用电磁偏转来控制
电子束焦点的位置。
电子束加工设备对电源电压的稳压性要求较高，因为电压波动
会影响电子束聚焦的稳定性。 h
现代加工技术第7章 电子束离子束加工
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7.1.电子束加工
3 电子束加工的应用
II 加工型孔或特殊外表
切割复杂型面，切口宽度6~3 μm ，边 缘粗糙度可控制在±0.5μm ；
不仅可以加工直孔也可以加工弯孔和 立体曲面；
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7.1.电子束加工
3 电子束加工的应用
III 刻蚀
在微电子器件生产中，为了制造多层固体组件，利用电 子束对陶瓷或半导体材料可出许多微细沟槽和孔 ； 制版；
ii 蚀刻加工时，对离子入射能量、束流大小、离子 入射到工件上的角度以及工作室气压等分别控制；
iii 氩气离子蚀刻效率取决于离子能量和入射角度；
入射能量增大蚀刻效率增加；
入射角度增加蚀刻效率增加，但角度过大使有效束流减 小，40º~60º效率最高；
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7.2.离子束加工
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7.1.电子束加工
3 电子束加工的应用
IV 焊接
当高能量密度的电子束轰击焊件外表时，使焊件接头处 的金属熔融，在电子束不断轰击下，形成一个被熔融金 属环绕的毛细管状的蒸气管，如果焊件按一定速度沿接 缝与电子束作相对运动，那么接缝上的蒸气管由于电子 束的离开而重新凝固，形成焊缝 ； 焊接速度快，焊缝窄、强度好，热影响区小，变形小； 可以焊接难熔金属和化学活性高的金属； 可以焊接不同材料；
Pag.离子束加工
2 离子束加工装置
I 离子源
i 考夫曼型离子源；
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7.2.离子束加工
2 离子束加工装置
I 离子源
ii 双等离子体型离子源；
第7章 电子束和离子束加工
1-发射阴极 2-控制栅极 3-加速 阳极 4-聚焦系统 5-电子束斑点 6-工件 7-工作台
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7.1.1电子束加工的原理及特点
1）高功率密度
属非接触式加工，工件不 受机械力作用，很少产生宏观应力变形， 同时也不存在工具损耗问题。 2）电子束强度、位置、聚焦可精确控制，， 电子束通过磁场和电场可在工件上以任何 速度行进，便于自动化控制。 3）环境污染少 适合加工纯度要求很高的 半导体材料及易氧化的金属材料。
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2）离子溅射沉积
采用能量为0.1～5keV的氩离子轰击某种材料
制成的靶材，将靶材原子击出并令其沉积到 工件表面上并形成一层薄膜。 实际上此法为一种镀膜工艺。
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3）离子镀膜
离子镀膜一方面是把靶材射出的原子向工件表面沉 积，另一方面还有高速中性粒子打击工件表面以增 强镀层与基材之间的结合力（可达10～20MPa）， 此法适应性强、膜层均匀致密、韧性好、沉积速度 快，目前已获得广泛应用。
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4）离子注入
用5～500keV能量的离子束，直接轰击工件表面，由于离子 能量相当大，可使离子钻进被加工工件材料表面层，改变其 表面层的化学成分，从而改变工件表面层的机械物理性能。 此法不受温度及注入何种元素及粒量限制，可根据不同需求 注入不同离子（如磷、氮、碳等）。 注入表面元素的均匀性好，纯度高，其注入的粒量及深度可 控制，但设备费用大、成本高、生产率较低。
电子束光刻系统
电子束制版机
电子束曝光系统
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4）其它应用
用计算机控制，对陶瓷、半导体或金属材 料进行电子刻蚀加工；异种金属焊接；电 子束热处理等。
特种加工论文-电子束加工和离子束技术的原理及电子束加工的应用
电子束加工和离子束技术的原理及电子束加工的应用一、电子束加工和离子束技术的原理及其比较1、电子束加工的原理电子束是在真空条件下，利用聚焦后能量极高（106~109w/cm2）的电子束，以极高的速度冲击到工件表面极小面积上，在极短的时间（几分之一微妙）内，其能量的大部分转变为热能，使被冲击部分的工件材料达到几千摄氏度以上的高温，从而引起材料的局部熔化，被真空系统抽走。
下面特殊介绍一下快速扫描电子束加工技术原理，通过对电子枪偏转线圈和聚焦线圈的控制，使电子束在工件上按特定的轨迹、速率和能量快速偏转而实现快速扫描电子束加工。
由于电子束几乎没有质量和惯性，可以实现非接触的偏转，而且通过电压控制，可以在不同的位置切换时控制束流通断，这样，束流就可以在构件的不同位置以极高的频率切换。
由于材料的热惯性，通过束流与材料的相互作用，在这些位置上就会同时产生冶金效果，实现电子束的扫描加工。
总的来说，电子束加工的基本原理是：在真空中从灼热的灯丝阴极发射出的电子，在高电压(30～200千伏)作用下被加速到很高的速度，通过电磁透镜会聚成一束高功率密度（105～109w/cm2）的电子束。
当冲击到工件时，电子束的动能立即转变成为热能，产生出极高的温度，足以使任何材料瞬时熔化、气化，从而可进行焊接、穿孔、刻槽和切割等加工。
由于电子束和气体分子碰撞时会产生能量损失和散射，因此，加工一般在真空中进行。
电子束加工机由产生电子束的电子枪、控制电子束的聚束线圈、使电子束扫描的偏转线圈、电源系统和放置工件的真空室，以及观察装置等部分组成。
先进的电子束加工机采用计算机数控装置，对加工条件和加工操作进行控制，以实现高精度的自动化加工。
电子束加工机的功率根据用途不同而有所不同，一般为几千瓦至几十千瓦。
2、离子束技术的原理离子束加工技术是在真空条件下，将氩、氪、氙等惰性气体通过离子源产生离子束，经加速、集束、聚焦后，射到被加工表面上以实现各种加工的方法。
电子行业电子束和离子束加工
电子行业电子束和离子束加工简介在电子行业中，电子束和离子束加工是两种常用的微细加工技术。
它们利用高能电子束和离子束对材料进行加工，具有高精度、高效率和非接触等特点，在电子器件制造、表面改性和纳米加工等领域有广泛应用。
电子束加工基本原理电子束加工利用高速运动的电子束对材料表面进行加工。
通过控制电子束的能量和聚焦方式，可以实现在纳米到微米级别的精确加工。
其基本原理如下：•加速电子：采用电子枪将电子加速到较高能量，通常在几十千伏至几百千伏之间。
•焦点控制：利用一系列电场和磁场聚焦系统，将电子束聚焦到较小的直径，达到高分辨率的效果。
•扫描加工：通过控制电子束的位置和扫描速度，实现对材料表面的精确加工。
应用领域电子束加工在电子行业中有广泛的应用，包括但不限于以下领域：1.纳米微型器件加工：电子束加工可用于制造微型电子器件，如纳米线、纳米晶体管和MEMS器件等。
2.光刻：电子束激光刻蚀技术是集成电路制造中常用的工艺之一。
3.表面改性：通过控制电子束的能量和扫描方式，可以实现对材料表面的纹理、硬度和导电性等物理性质的改变。
4.纳米加工：电子束可以直接对纳米颗粒进行加工，制备纳米材料和纳米结构。
离子束加工基本原理离子束加工利用高能离子束对材料进行加工。
与电子束加工相比，离子束加工具有更高的穿透能力和更大的功率密度，可以实现更深入和更精确的加工效果。
其基本原理如下：•加速离子：采用离子源将离子加速到高能量，通常在几百电子伏至几千电子伏之间。
•焦点控制：通过控制电场和磁场分别作用的方式，实现对离子束的聚焦控制。
•碰撞损伤：高速离子束与材料表面相碰撞，产生碰撞损伤和表面变化。
应用领域离子束加工在电子行业中也有广泛的应用，主要应用于以下领域：1.纳米加工：离子束加工可用于纳米线、纳米颗粒和纳米薄膜的制备。
2.材料改性：通过离子束的碰撞和改变材料表面的结构，可以实现材料的硬化、改变导电性和抗腐蚀等性能。
3.表面涂层：离子束沉积技术可以实现对材料表面的镀膜、涂层和纳米颗粒的制备。
电子束和离子束加工
第六章电子束和离子束加工电子束加工(Electron Beam Machining简称EBM)和离子束加工(Ion Beam Machining简称IBM)是近年来得到较大发展的新兴特种加工。
它们在精密微细加工方面，尤其是在微电子学领域中得到较多的应用。
电子束加工主要用于打孔、焊接等热加工和电子束光刻化学加工。
离子束加工则主要用于离子刻蚀、离子镀膜和离子注入等加工。
近期发展起来的亚微米加工和毫微米(纳米)加工技术，主要是用电子束加工和离子束加工。
第一节电子束加工一、电子束加工的原理和特点(一)电子束加工的原理如图6-1所示，电子束加工是在真空条件下，利用聚焦后能量密度极高(106~109W／cm2)的电子束，以极高的速度冲击到工件表面极小面积上，在极短的时间(几分之一微秒)内，其能量的大部分转变为热能，使被冲击部分的工件材料达到几千摄氏度以上的高温，从而引起材料的局部熔化和气化，被真空系统抽走。
控制电子束能量密度的大小和能量注入时间，就可以达到不同的加工目的。
如只使材料局部加热就可进行电子束热处理；使材料局部熔化就可进行电子束焊接；提高电子束能量密度，使材料熔化和气化，就可进行打孔、切割等加工；利用较低能量密度的电子束轰击高分子材料时产生化学变化的原理，即可进行电子束光刻加工。
(二)电子束加工的特点1)由于电子束能够极其微细地聚焦，甚至能聚焦到0．1μm。
所以加工面积可以很小，是一种精密微细的加工方法。
2)电子束能量密度很高，使照射部分的温度超过材料的熔化和气化温度，去除材料主要靠瞬时蒸发，是一种非接触式加工。
工件不受机械力作用，不产生宏观应力和变形，加工材料范围很广，对脆性、韧性、导体、非导体及半导体材料都可加工。
3)电子束的能量密度高，因而加工生产率很高，例如，每秒钟可以在2。
5mm厚的钢板上钻50个直径为0.4mm的孔。
4)可以通过磁场或电场对电子束的强度、位置、聚焦等进行直接控制，所以整个加工过程便于实现自动化。
电子束与离子束加工
电子束
工件 电源 及控 制系 统
图6-20 电子束加工原理
控制电子束能量密度的大小和能量注入时间，就 可以达到不同的加工目的。如只使材料局部加热就可
进行电子束热处理；使材料局部熔化就可以进行电子
束焊接；提高电子束能量密度，使材料熔化和汽化， 就可进行打孔、切割等加工；利用较低能量密度的电
子束轰击高分子材料时产生化学变化的原理，即可进
贵，故在生产中受到一定程度的限制。
二、电子束加工装置 • 电子枪：发射高速电子流，进行初步聚焦，并使电子加速。 它由电子发射阴极、控制栅极和加速阳极组成。 • 真空系统：真空泵和抽气装置，因为在真空下电子才能高速 运动， 发射阴极不会在高温下被氧化， 同时也防止被加工表
面和金属蒸汽氧化。开式真空系统。
电子束加工常应用于加工微细小孔、异型孔 ( 如图 7-21
所示 ) 及特殊曲面。图 7-22 所示为电子束加工弯曲的型面。
其原理为：电子束在磁场中受力，在工件内部弯曲，工件 同时移动，即可加工曲面Ⅰ；随后改变磁场极性，即可加
工曲面Ⅱ；在工件实体部位内加工，即可得到弯槽Ⅲ；当
工件固定不动，先后改变磁场极性，二次加工，即可得到 一个入口、两个出口的弯孔Ⅳ。拉制电子束速度和磁场强 度，即可控制曲率半径。
阴极射线管(CRT)
–组成 –包括电子枪、聚焦原理
–电子枪发射电子束 –经过聚焦系统、加速电极、偏转系统
–轰击到荧光屏的不同部位
–被其内表面的荧光物质吸收 –发光产生可见的图形 –结构
电子枪
电灯丝的组成 – 阴极 • 由灯丝加热发出电子束 – 控制栅 • 加上负电压后，能够控制通过其中小孔的带负电的 电子束的强弱 • 通过调节负电压高低来控制电子数量 • 即控制荧光屏上相应点的亮度
先进制造技术6电子束和离子束加工PPT课件
（三）控制系统和电源
电子束加工装置的控制系统包括束流聚焦控制、束流位 置控制、束流强度控制以及工作台位移控制等。
加工特点 度比正常热处理高，晶粒细小、 处理，可提高高温疲劳强
表面的硬度比正常热处理高。
度约45％
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四、电子束加工的应用
（六）电子束光刻
电子束光刻是先利用低功率密度的电子束照射称为电致 抗蚀剂的高分子材料，由入射电子与高分子相碰撞，使 分子的链被切断或重新聚合而引起分子量的变化，称为 电子束曝光。如果按规定图形进行电子束曝光，会在电 致抗蚀剂中留下潜像；
3. 电子束的能量密度高，因而加工生产率很高
每秒可在2.5 mm厚钢板上钻50个直径为0.4 mm的孔。
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二、电子束加工的特点
4. 加工过程便于实现自动化
可以通过磁场或电场对电子束的强度、位置、聚焦等进 行直接控制。
5. 在真空中进行，污染少
加工表面不氧化，适用于易氧化的金属及合金材料，以 及高纯度的半导体材料。
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四、电子束加工的应用
冲材 击料 开表 始面 熔受 化到 ，电 气子 化束
电子束打到材料表面
继 续 受 到 电 子 束 作 用
电子束贯穿材料
电子束打到材料内部 随 材 着料 蒸气 汽化 溢形 出成 ，气 形泡 成， 空破 穴裂 后
吹，的电 出将辅子 ，空助束 完穴材冲 成周料击 打围，到 孔熔产工 过化生件 程材喷下
然后将曝光后的潜像浸入适当的溶剂中，则由于分子量 不同而溶解度不一样，就会使潜像显影出来；
离子束加工
2离子溅射沉积
第六章 电子束和离子束加工
采用能量为0.1～5keV的氩离子轰击某种材料制成的靶材，将 靶材原子击出并令其沉积到工件表面上并形成一层薄膜。 实际上此法为一种镀膜工艺。
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第六章 电子束和离子束加工 3）离子镀膜
离子镀膜一方面是把靶材射出的原子向工件表面沉积，另一方面还有高速 中性粒子打击工件表面以增强镀层与基材之间的结合力（可达10～ 20MPa）， 此法适应性强、膜层均匀致密、韧性好、沉积速度快，目前已获得广泛应 用。
第六章 电子束和离子束加工
（三）刻蚀 在微电子器件生产中，为了制造多层固体组件，可利用 电子束对陶瓷或半导体材料刻出许多微细沟槽和孔来， 如在硅片上刻出宽2.5微米、深0.25微米的细槽，在混 合电路电阻的金属镀层上刻出40 微米宽的线条。
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第六章 电子束和离子束加工
（四）焊接
电子束焊接是利用电子束作为热源的一种焊接工艺。由 于电子束的能量密度高，焊接速度快，所以电子束焊 接的焊缝深而窄，热影响区小，变形小。电子束焊接 一般不用焊条，焊接过程在真空中进行，因此焊缝化 学成分纯净，焊接接头的强度往往高于母材。 电子 束焊接可以焊接难熔金属如钽、铌、钼等，也可焊接 钛、锆、铀等化学性能活泼的金属。它可焊接很薄工 件，也可焊接几百毫米厚的工件。 电子束焊接还能 完成一般焊接方法难以实现的异种金属焊接。如铜和 不锈钢的焊接，钢和硬质合金的焊接，
行电子束光刻加工。
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第六章 电子束和离子束加工
（二）电子束加工特点 (1) 可进行微细加工。
(2) 非接触式加工。
(3) 电子束的能量密度高，加工效率高。
（4） 整个加工过程便于实现自动化。
(5)加工在真空中进行，污染少，加工表面不易被氧化。
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电子束加丁原理
I –工件 2 一电子束 3 –偏转线圈 4一电磁透镜
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第六章 电子束和离子束加工
2、加工原理
在真空条件下，利用电 子枪中产生的电子经加速、 聚 焦 后 能 量 密 度 为 106 ～ 109w/cm2的极细束流高速冲击 到工件表面上极小的部位， 并在几分之一微秒时间内， 其能量大部分转换为热能， 使工件被冲击部位的材料达 到几千摄氏度，致使材料局 部熔化或蒸发，来去除材料。
束流聚焦控制：提高电子束的能量密度，它决定加工点 的孔径或缝宽。 聚焦方法：一是利用高压静电场是电子流聚焦成细 束；另一种方法是利用“电磁透镜”靠磁场聚焦。
束流位置控制：改变电子的方向。 工作台位移控制：加工时控制工作台的位置。 电源：对电压的稳定性要求较高，常用稳压电源。
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第六章 电子束和离子束加工
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第六章 电子束和离子束加工
图6-7 电子束曝光加工过程
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第六章 电子束和离子束加工
00 .. 00 33 ～～ 00 .. 00 77 mm mm
电子束加工的异形孔
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第六章 电子束和离子束加工
加工弯孔：利用 电子束在磁场中偏 转的原理，使电子 束在工件内偏转方 向。控制电子速度 和磁场强度，就可 控制曲率半径，加 工出弯曲的孔。
(c)
电子束加工弯曲的孔
4、电子束加工的特点
电子束能够极其微细地聚焦(可达l～0.1 μm)，故可进 行微细加工。
加工材料的范围广。能加工各种力学性能的导体、半 导体和非导体材料。
加工效率很高。 加工在真空中进行，污染少，加工表面不易被氧化。 电子束加工需要整套的专用设备和真空系统，价格较
贵，故在生产中受到一定程度的限制。
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第六章 电子束和离子束加工
3、加工装置
电子束加工装置主要由以下 几部分组成。
（1）电子枪。获得电子束 的装置。它包括：
电子发射阴极—用钨或钽制成， 在加热状态下发射电子。
控制栅极—既控制电子束的强 弱，又有初步的聚焦作用。
加速阳极—通常接地，由于阴 极为很高的负压，所以能驱使 电子加速。
图6-2 电子束加工装置示意图
应用：应用范围极为广泛，尤其在焊接大型铝合金零件 中，具有极大的优势，并且可用于不同金属之间的连接。 如美国和日本采用电子束焊接工艺加工发电厂汽轮 机的定子部件；美国还将电子束焊接工艺广泛应用于飞 机制造中。
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第六章 电子束和离子束加工
（4）电子束光刻 利用低能量密度的电子束照射高分子材料时，将使材 料分子链被切断或重新组合，引起分子量的变化即产 生潜象，再将其浸入适当的溶剂中，由于分子量的不 同而溶解度不同，就会将潜象显影出来。 将光刻与粒子束刻蚀或蒸镀工艺结合，就可以在金属 掩模或材料表面指出图形来。
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第六章 电子束和离子束加工
经过几十年的发展，目前电子束加工技术已在核工业、 航空宇航、精密制造等工业部门广泛应用。
电子束加工应用于：电子束焊接、打孔、 表面处理、熔炼、镀膜、物理气相沉积、 雕刻、铣切、切割以及电子束曝光等。
世界上电子束加工技术较先进的国家：德 国、日本、美国、俄罗斯以及法国等。
(d)
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第六章 电子束和离子束加工
（2）电子束切割 可对各种材料进行切割，切口宽度仅有3～6μm。 利用电子束再配合工件的相对运动，可加工所需要的
曲面。
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(a)
(b)
(c)
(d)
电子束加工曲面
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第六章 电子束和离子束加工
（3）电子束焊接
特点：电子束焊接具有焊缝深宽比大； 焊接速度快，焊缝深而窄，焊件变形小； 不用焊条，接头机械性能好； 可进行异种金属焊接； 可在精加工后焊接等等。
第六章 电子束和离子束加工
第六章 电子束和离子束加工
主要内容
6.1 电子束加工 6.2 离子束加工
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第六章 电子束和离子束加工 6.1 电子束加工 1、概述 电子束加工（Electron Beam Machining 简 称EBM）起源于德国。1948年德国科学家斯 特格瓦发明了第一台电子束加工设备。 利用高能量密度的电子束对材料进行工艺处 理的一切方法统称为电子束加工。
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第六章 电子束和离子束加工
5、电子束加工的应用
1-淬火硬化；2-熔炼； 3-焊接； 4-打孔； 5-钻、切削；6-刻蚀； 7-升华；8-塑料聚合； 9-电子抗蚀剂； 10-塑料打孔
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第六章 电子束和离子束加工
（1）电子束打孔 能加工各种孔，包括异形孔 、斜孔、锥孔和弯孔。 生产效率高。机翼吸附屏的孔、喷气发动机套上的冷却 孔，此类孔数量巨大（高达数百万），且孔径微小，密 度连续分布而孔径也有变化，非常适合电子束打孔。 加工材料范围广。可加工不锈钢、耐热钢、宝石、陶瓷、 玻璃、塑料和人造革等各种材料上的小孔、深孔。 加工质量好，无毛刺和再铸层等缺陷。 加工孔的最小直径可达0.003mm，最大深径比可达10。
（3）控制系统和电源。
控制系统包括束流聚焦
控制、束流位置控制、束流 强度控制以及工作台位移控 制。
图6-2 电子束加工装置示意图
1-工作台系统；2-偏转线圈；3-电磁透镜；4-光阑； 5-加速阳极；6-发射电子的阴极；7-控制栅极； 8-光学观察系统；9-带窗真空室门；10-工件 9
第六章 电子束和离子束加工
1-工作台系统；2-偏转线圈；3-电磁透镜；4-光阑； 5-加速阳极；6-发射电子的阴极；7-控制栅极； 8-光学观察系统；9-带窗真空室门；10-工件 8
第六章 电子束和离子束加工
（2）真空系统
保证电子加工时所需要
的真空度。一般电子束加工
的 的 真 空 度 维 持 在 1.33×102~ 1.33×10-4 Pa。
电子枪系统
聚焦系统
抽真
电子束
空系
统
工件
电源 及控 制系 统
电子束加工原理 6Βιβλιοθήκη 第六章 电子束和离子束加工
控制电子束能量密度的大小和能量注入时间，就 可以达到不同的加工目的。
（1）只使材料局部加热就可进行电子束热处理； （2）使材料局部熔化就可以进行电子束焊接； （3）提高电子束能量密度，使材料熔化和汽化， 就可进行打孔、切割等加工； （4）利用较低能量密度的电子束轰击高分子材料 时产生化学变化的原理，即可进行电子束光刻加工。